東北地區春季冷鋒云系降水個例數值模擬及機理研究

馬國忠，銀燕，王秋京

（1.黑龍江省氣象臺，黑龍江哈爾濱 150030；2.南京信息工程大學，江蘇南京 210044；3.黑龍江省氣象科學研究所，黑龍江哈爾濱 150030）

東北地區春季冷鋒云系降水個例數值模擬及機理研究

馬國忠1，銀燕2，王秋京3

（1.黑龍江省氣象臺，黑龍江哈爾濱 150030；2.南京信息工程大學，江蘇南京 210044；3.黑龍江省氣象科學研究所，黑龍江哈爾濱 150030）

本文通過常規天氣資料，結合WRF中尺度數值模式，深入研究了2007年5月22～24日一次發生在東北地區的鋒面云系降水過程和云宏微觀結構特征以及降水產生的物理機制。模擬結果表明冷鋒云系降水分布不均勻，鋒前中低層有弱的上升氣流，云水比含水量較大，雪和霰幾乎沒有。冷鋒過境時，垂直速度迅速增大，中低層有下沉氣流，不利于云水形成，出現云水含量幾乎沒有的干層區，雪水比含水量迅速增加，降水形成應是通過雪和霰的融化過程。處于鋒區時，垂直速度和雪比含水量繼續增大，降水的形成主要是雪的融化過程。鋒后，上升氣流迅速減弱，云內雪比含水量減少，降水的形成主要是雪的融化和暖云微物理過程。

中尺度數值模式；雙參數微物理方案；冷鋒；春季降水

1 引言

20世紀70年代以來，國內外開展了一系列針對層狀云系和鋒面云系等的外場探測研究。近年來值得關注的工作包括Korolev等［1］對混合相云中微物理特征的綜合外場觀測研究。Evans等［2］利用IMPROVE-Ⅰ項目對一次太平洋海岸錮囚氣旋的綜合外場探測資料，詳細研究了系統中云結構和降水增長狀況。通過對我國北方層狀云作了大量研究后，游來光［3］指出，我國北方的降水微物理過程基本符合催化云-供水云相互作用導致降水的總體概念。吉林省多年的觀測［4］發現，吉林中部的春季降水常在氣旋冷鋒前的暖區形成，播撒云是與高空冷鋒或冷涌對應的中、高空云帶，供水云為暖區中發展的積云性層積云。李宏宇［5］對河南省冷鋒云系結構及降水特征作了較為完整的個例分析，指出冷、暖區降水機制主要以冷、暖云降水過程為主，“播撒-供水”的降水機制較為明顯。王成恕等［6］利用華北地區一次冷鋒降水系統的宏微觀觀測資料，并結合一個三維三相中尺度云系模式的模擬結果，指出主要云系和地面降水都在鋒前，冰相過程重要。胡志晉等［7］對數值預報中云降水方案也進行了研究。劉公波等［8］完成了中尺度模式與層狀云微物理模式的耦合，并進行了個例研究。本文利用WRF模式中的Morrison雙參數顯式云物理方案對東北地區春季一次冷鋒云系降水過程進行數值模擬,重點分析了冷鋒過境時不同時段的微物理機制。

2 降水特征及天氣背景分析

2.1 大范圍降水特征

2007年5月24日受高空低渦及地面蒙古氣旋共同影響下，冷鋒混合云系在我國東北大部地區產生降水，整個降水過程持續時間約48 h，大部地區降水強度為中雨，個別站點達到大雨量級（見圖1）。為了解冷鋒云系的降水時空分布特征，選取黑龍江省德都、北安、克東、拜泉4站，分析各站的小時雨量演變圖（圖略），降水主要集中在5月24日08：00～14：00，10：00前1 h各站降水量均達到最大（德都1 h降水量為5 mm，北安1 h降水量為4 mm，克東1 h降水量為7 mm，拜泉1 h降水量為5 mm）。拜泉站13：00降水結束，德都、克東兩站到14:00降水已經結束，北安處于低渦云系頭部的位置，降水結束時間較晚，13:00依然出現小時降水峰值，14:00冷鋒東移，降水迅速減弱。

圖1 2007年5月23日20:00～24日20:00降水量（單位：mm）

圖2 2007年5月22～24日700 hPa位勢高度和溫度場（a）22日20:00（b）24日08:00

2.2 環流形勢特征分析

2007年5月22日20:00（見圖2a）700 hPa主冷空氣南伸至天山以北，西風槽位于貝加爾湖，溫度槽落后于高度槽,槽前北上的暖平流和槽后南下的冷平流有利于高層擾動的維持和加強。四川盆地生成西南渦，渦前有寬廣的西南暖濕氣流的輸送帶，其北端一直延伸至44°附近。23日20:00（圖略）高空低槽加強成渦，低渦中心位于貝加爾湖以東，53°以北，低渦后部冷空氣侵入低渦底部，并向南伸至河套以南地區，槽前暖平流向北發展，渦東側形成暖脊，出現西南風與東南風的輻合。24日08:00（見圖2b）受鄂霍茨克海高脊的阻擋，低渦維持少動，渦底部冷空氣繼續東移，低渦槽南端位于遼東半島以東，黑龍江西南部到吉林西部有一條西北-西南風切變，冷渦較長時間在原地停留造成較大范圍的降水。24日20:00（圖略）受鄂霍次克海高脊及低渦底部冷平流的共同影響，使得低渦南槽向北移動，槽線呈東西向，黑龍江省大部地區受低渦底部的冷空氣控制，降水基本結束。

3 數值模擬方案

利用新一代非靜力平衡中尺度數值模式WRF 3.1.1進行模擬，采用坐標，垂直30層。模式區域設置采用3重嵌套，三重格距分別是：27 km、9 km、3 km。微物理過程采用Morrison雙參數方案，該方案考慮6種水成物：水汽、云水、雨水、冰晶、雪花、霰。第一層（27 km）及第二層（9 km）網格采用Kain-Fritsch（new ETA）積云對流參數化方案，第三層網格（3 km）不采用積云對流參數化方案，作為模式可分辨過程進行顯式方案來進行積分。采用每6 h一次的NCEP 1°×1°全球再分析資料作為背景場，模擬時段為5月24日02 h～14 h（北京時）。粗網格每隔60 min輸出一次結果，次網格每30 min輸出一次結果，細網格每10 min輸出一次結果。

4 模擬結果分析

4.1 地面降水和雷達反射率分析

圖3 2007年5月24日14:00前12 h降水量（a）降水實況（b）3 km格距模擬降水量

本次模擬的降水量均與實際觀測降水范圍、量級較一致。圖3所示是細網格模擬的12 h降水合量，模式能夠很好的模擬出位于48°、126°附近的降水中心，也較好的模擬出較大降水雨帶的分布狀況。

模擬的雷達反射率圖（圖略）上顯示，此次降水過程具有典型的冷鋒云系回波特征。5月24日02:00～08:00，在較大范圍內，回波邊緣呈現支離破碎，沒有明顯的邊界，強度<30 dBz的為層狀云降水回波；09:00～14:00是典型的冷鋒回波帶，回波呈窄帶狀，層狀云回波中鑲嵌著較強回波，10:00雷達回波上位于吉林中部，黑龍江西北部均出現了>35 dBz的回波，最大回波達到40 dBz；此次冷鋒云系發展過程中對流云系較弱。

4.2 模擬的云場結構分析

4.2.1 云微物理水平分布特征

從模擬的5月24日09:00和14:00 850 hPa、700 hPa、500 hPa的云比含水量水平分布可以看出（圖略），24日09:00是降水發展階段，850 hPa黑龍江西部上空云含水量分布不均勻，在0.01～0.2 g/kg之間，46°和48°附近有兩個含水量豐富的云團，最大比含水量為0.2g/kg，整個云帶表現為混合云特征；700 hPa冷鋒云系靠近鋒面一側的云區分布比較均勻，鋒線東側有多個含水量大的云團，位于48°附近的云含水量最大值為0.4 g/kg；500 hPa云比含水量分布非常不均勻，出現無云區，且云比含水量明顯減小。14:00是降水減弱階段，豐水區東移，850 hPa云水出現斷裂，主冷鋒云系東移，鋒后低層有弱的云水含水量區；700 hPa云團主體東移，鋒后是冷性干氣團控制；500 hPa高度無云區范圍加大。

4.2.2 云微物理垂直分布特征

重點分析5月24日08:00～14:00冷鋒云系降水過程。為了了解降水云場的二維結構以及云場的變化，給出了克東附近24日07:00和24日10:00各種水凝物粒子比含水量和垂直速度的的垂直剖面分布。5月24日07:00是降水初生區（見圖4a），云水十分豐富，云狀為層云，云內含水量分布不均勻，有一定數量的過冷水，過冷水區厚度約為2 km。暖層較厚且比含水量大于過冷水區，大值區位于0℃層附近，最大值為0.5 g/kg。暖層云底高約1 km，與高云連在一起。冰晶主要位于9～10 km之間（見圖4b），最大比含水量為0.1 g/kg。零度層以下云含水量較高，此時暖云微物理過程對降水有很大的作用。

圖4c中雨水的最大含水量為0.24 g/kg，雨水的分布存在不均勻結構。圖4d中雪的比含水量最大值為1.0 g/kg，雨水的高值區不僅對應于雪的比含水量，還對應于云水的比含水量高值區，暖云降水微物理過程和雪的融化對降水形成都有貢獻，雪的融化還可能起主要貢獻。

圖4e表明空中霰的分布范圍小，最大比含水量為0.15 g/ kg。在124°附近0℃層以下有兩個霰比含水量高值區，對應1 km以下有雨水比含水量大值區，126°附近對應霰比含水量高值區2.5 km左右有一個雨水比含水量高值區，霰的融化對降水形成有貢獻。

圖4f表明0℃層高度以上垂直上升速度高值處（最大為0.4 m/s，126°附近）對應于霰的高值區，可見冷云中較大上升運動對霰的形成有利。0℃層高度以下垂直運動最大為0.2 m/ s，垂直上升運動最大位置對應于雨水和云水的最大值位置，垂直上升運動利于雨水形成和云滴長大。

圖4 模擬的5月24日07:00沿48.03°N垂直剖面（a）云水比含水量（g/kg）;（b）冰晶比含水量云;（c）雨水比含水量（g/kg）;（d）雪比含水量（g/kg）;（e）霰比含水量（g/kg）;（f）垂直速度（m/s）;長虛線表示溫度（℃）

10:00 為降水發展強盛時期，見圖5a，液態云水發展到6 km，積云發展比較旺盛，過冷云水豐富，最大比含水量為0.25 g/kg。過冷水之上有大量的冰晶存在，最大比含水量為0.1 g/ kg。圖5d中雪的最大比含水量為2.2 g/kg，雪比含水量高值位置和冰晶比含水量高值位置對應，說明雪通過冰晶自身轉化過程形成。雪晶下落碰凍過冷水，在零度層以下形成較多霰粒子（0.1 g/kg），雪霰粒子在0℃層之下融化成雨水。雨水比含水量高值位置對應雪的比含水量高值位置，降水的形成主要是通過雪的融化。

4.3 降水機制和過程分析

圖5 模擬的5月24日10:00沿48.03°N垂直剖面（a）云水比含水量（g/kg）;（b）冰晶比含水量云;（c）雨水比含水量（g/kg）;（d）雪比含水量（g/kg）;（e）霰比含水量（g/kg）;（f）垂直速度（m/s）;長虛線表示溫度（℃）

本次模擬對于克東（48.03°N、126.25°E）站降水模擬較好，根據衛星云圖提供的云系的發展演變情況，克東站地面3 hrs變壓、溫度露點、氣溫等氣象要素的變化，可以基本確定冷鋒系統是在24日08:00前后在克東站站過境的。在02:00～07: 00，克東站處于冷鋒的前部，08:00～11:00位于鋒區，12:00之后克東站處于冷鋒的后部。

圖6 模擬的克東站（48.03°、126.25°）2007年5月24日冷鋒過境各時段各水凝物粒子比含水量分布廓線

圖6為模擬的克東5月24日02:00～14:00冷鋒過境時不同時段各種水凝物粒子比含水量分布廓線。對于層狀云中降水粒子的形成，顧震潮［9］先生認為存在三個階段，即上部冰晶區域，起作用的主要是冰晶凝華增長和冰晶在下落過程中相互碰并增長；冰晶落入過冷水區后進入生長的第二階段，最主要是冰晶的凝華增長（Bergeron過程），這種過程對降水形成很重要。在這個區域如果溫度合適，冰晶可以長成枝狀的雪花。在過冷水層也能出現冰晶之間的碰并，冰晶也可以與過冷水滴碰并相粘；冰晶落入0℃層時就進入第三階段，冰相粒子很快融化成水滴，水滴增長主要靠與小云滴的碰并過程。06:00冷鋒前云水比含水量較大，第一層和第二層的分界定位6 km，0℃層位于3.1 km高度；第一層有少量冰晶和雪，冰晶比含水量最大為0.1 g/kg；第二層有一定量過冷水，冰晶幾乎沒有，不利于冰晶和過冷水共存時通過貝吉隆過程使冰晶長大再形成雪，使得雪和霰幾乎沒有；0℃層以下云水含量較大，出現一個“干層”。冷鋒過境時，雪水比含水量迅速增加，08:00第一層和第二層的分界定為4.9 km，0℃層位于3 km高度。第一層有一定量冰晶和雪，冰晶比含水量最大為0.1 g/kg；第二層存在大量的雪和少量過冷水，雪比含水量最大為1.1 g/kg，有很少量的冰晶，說明高空溫度快速下降，冰晶在下落過程中在較低的溫度環境下，遇到過冷水很快長大形成雪。第三層暖云云水比含水量較低，雨水比含水量高，最大為0.2 g/kg，0℃層附近有較大的霰比含水量，降水形成應是通過雪和霰的融化過程。在1.4 km～4 km云水幾乎沒有，形成一個“干層”。處于鋒區時，0℃層以上雪比含水量繼續增大，10:00達到最大為1.8 g/kg，第一和第二層的分界定為3.4 km，0℃層位于3 km高度，第一層冰晶比含水量為0.1 g/kg，第二層幾乎全是雪，有很少量的云水。第三層云水比含水量為0.15 g/kg，有較大的雨水比含水量，降水的形成主要是雪的融化過程。冷鋒過境后，云內雪比含水量又迅速減少，12:00冷鋒已過克東站，雪比含水量降為0.38 g/kg，第一層和第二層的分界定為4.3 km，0℃層位于2.9 km高度，第一層有冰晶和雪共存，第二層有較多的云水和雪，第三層暖云云水含量增加，最大為0.35 g/kg，降水的形成主要是雪的融化和暖云微物理過程。模擬的冷鋒過境各時段的垂直速度（見圖7）可知，冷鋒前中低層有弱的上升氣流，5 km處垂直速度最大為0.12 m/s，云層內都為下沉運動，層結穩定。09:00 3.5 km以上為上升運動，有利于云層中粒子的向上抬升。07:00和09:00相當位溫分布基本同相，無明顯的對流不穩定。過冷鋒時垂直速度增大很快，5 km處最大垂直速度為0.5 m/s，1.5 km～3.8 km有下沉氣流，下沉運動位置會使云水變干，不利于云水形成，出現云水含量幾乎沒有的干層區。位于鋒區時垂直速度繼續增大，且出現最大上升氣流的的高度升高，最大垂直速度位于約7 km高度，其值為0.52 m/s。冷鋒過境后完全由冷空氣控制，上升氣流迅速減弱，低層2 km以下開始出現下沉氣流，降水逐漸減弱。

圖7 模擬的冷鋒克東站過境各時段垂直速度分布廓線（06:00：叉號，08:00：虛線空心圓，10:00：實心圓，12:00：空心方框）

5 小結

分析觀測結果，2007年5月24日的加密雨量計網資料刻畫出了降水分布的時空精細結構，揭示了這次氣旋性鋒面云系降水的時空不均勻結構。低渦南部的西北-西南風切變以及鄂霍茨克東阻使得冷渦較長時間在原地停留，從而造成較大范圍的降水。春季較大降水的形成，水汽條件是非常重要的，冷鋒前暖區中低層有明顯的偏南急流，形成一條貫通南北的水汽輸送帶，豐沛的水汽可以源源不斷地向北輸送，使得低渦得以維持并加強。

高分辨率雙參數云物理方案對本次鋒面云系降水的模擬結果和地面加密雨量計網資料對比發現，模式的預報較成功。

模擬給出了云場的水平和垂直分布特征，表明黑龍江中西部一帶上空云含水量分布不均勻，中低層是大范圍的層狀云，云頂起伏不平，在較高的高度上還有豐富的云水。模擬冷鋒過境時各個時段各種水凝物粒子比含水量和垂直速度分布表明，鋒前中低層有弱的上升氣流，冷鋒前云水比含水量較大，雪和霰幾乎沒有，0℃層以下云水含量較大。冷鋒過境時，垂直速度增大很快，5 km處最大垂直速度為0.5 m/s，1.5 km～3.8 km有下沉氣流，不利于云水形成，雪水比含水量迅速增加為1.1 g/kg，有很少量的冰晶，0℃層附近有較大的霰比含水量，降水形成應是通過雪和霰的融化過程。處于鋒區時，垂直速度和雪比含水量繼續增大，雪比含水量最大為1.8 g/kg，降水的形成主要是雪的融化過程。冷鋒過境后，上升氣流迅速減弱，低層2 km以下開始出現下沉氣流，雪比含水量降為0.38 g/ kg，0℃層以下暖云云水含量增加，最大為0.35 g/kg，降水的形成主要是雪的融化和暖云微物理過程。

[1]Korolev A.V.,Isaac G.A.,Cober S.G.,et al.Microphysical characterization of mixed-phase clouds[J].Quart J Roy Meteor Soc,2003,129:39-65.

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[4]李大山.2002:人工影響天氣現狀與展望[M].氣象出版社.

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Mechanism and Numerical Simulating Study of the Cold Front Precipitation in Northeast China

Ma Guo-zhong1,Yin Yan2,Wang Qiu-jing3
（1.Heilongjiang Provincial Meteorological Observatory,Heilongjiang Harbin 150030；2.NUIST Atmospheric Physics and Key Laboratory of Atmospheric Environment,Jiangsu Nanjing 210044；3.Heilongjiang Institute of Meteorological Sciences,HeiLongjiang Harbin150030）

This Paper analyses some characteristics of the macro-and micro-physical structures and mechanisms of a case of cold front cloud on May 22～24,in 2007,by using different observational data and the middle scale numerical simulation models WRF. Simulated cold front showed that before the front has the weak upflow on the middle-layer,there are lot cloud water and little of snow and graupel.When cold front transit the vertical velocity increases very quickly.Downdraft in the lower level which is not conducive to the formation of cloud water.The precipitation was generated by snow and graupel melted process.When in the cold front vertical velocity and snow mixing ratio continue to increase.The precipitation was generated by snow melted.After the cold front the upflow weakens rapidly,the precipitation was generated by snow melted and worm cloud process.

Numerical simulation;Morrison scheme;cold front;spring rain

P458.1+21

A

1002－252X（2010）04－0004－05

2010－8－6

馬國忠（1978-），男，青海省平安縣人，南京信息工程大學，研究生，工程師.